第六章铸造加工及应用

金属材料与热加工基础

第六章铸造加工及应用知识目标:1）掌握合金的铸造性能。2）了解砂型铸造工艺设计。3）了解铸件结构的工艺性。4）掌握砂型铸造、金属型铸造、压力铸造、熔模铸造、离心铸造的特点、应用范围。能力目标:1）具有砂型铸造手工造型的能力。2）具有砂型铸造工艺设计的能力。3）具有合理选择毛坯或零件铸造加工方法的能力。育人目标:

培养具有工匠精神，养成吃苦耐劳、坚韧不报的品质案例导入2008年北京奥运会是中国改革开放以来的又一重大事件。北京奥运会颁奖音乐被称作“金玉齐声”，由古编钟原声和玉磬的声音交融产生，以形成“金声玉振”的宏大效果，与北京奥运会“金玉良缘”的设计理念一致。这段音乐的曾侯乙古编钟原声，来自湖北省声像博物馆，如图6-1a所示为曾侯乙编钟，他是我国古代的一种打击乐器，用青铜铸成。由大小不同的扁圆钟按照音调高低的次序排列起来，悬挂在一个巨大的钟架上，用丁字形的木锤和长形的棒分别敲打铜钟，能发出不同的乐音，因为每个钟的音调不同，按音谱敲打，可以演奏出美妙的乐曲。曾侯乙编钟高超的铸造技术和良好的音乐性能，改写了世界音乐史，被中外专家、学者称之为"稀世珍宝"。案例导入

曾侯乙编钟案例导入

我国的铸造技术已有6000多年悠久的历史，是世界上较早掌握铸造技术的文明古国。如图所示，为我国古代的铸造制品。

战国初期铸的曾侯尊盘

河北沧州大铁狮

第六章铸造加工及应用

铸造是将液态金属浇入到铸型型腔中，待其冷却凝固后获得具有一定形状和性能铸件的成形方法。铸造是生产毛坯或零件的主要方法之一，是机械制造业的重要基础，铸件在机床、内燃机、重型机械、农机、车辆和航空中占有相当大的比重。铸造成形工艺具有如下特点：(1)适合制造形状复杂、特别是内腔形状复杂的毛坯或零件，如气缸、箱体、泵体、阀体、叶轮、螺旋桨等主要是铸造成形，如图6-2所示为铸造成形的零件。(2)铸件的大小几乎不受限制，如小到几克的电器仪表零件，大到数百吨的轧钢机机架，均可铸造成形，如图6-3所示为轧钢机机架。(3)铸造生产工艺简单，且使用的材料价格低廉，范围广，对于如铸铁等某些塑性很差，不易塑性成形和焊接成形的材料，铸造是其毛坯或零件的唯一成形工艺。（4）铸造生产工序较多，影响铸件质量的因素复杂，容易产生如浇不足、缩孔、缩松、气孔、砂眼、裂纹等铸造缺陷，废品率较高。一般来说，直接铸造成形的毛坯或零件，其内部组织的均匀性、致密度都较低，力学性能低于塑性成形件。砂型铸造是传统的铸造方法，其工艺灵活，成本低廉。所以，由砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的90％以上。特种铸造是指砂型铸造以外的铸造工艺，常见的有熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造和离心铸造等。铸造成形分为砂型铸造和特种铸造两大类。第一节认识合金的铸造性能

实例导读某企业生产锥套皮带轮铸件，但在铸造过程中，该铸件成为一个不完整的皮带轮铸造件如图6-4所示，缺肉部位呈圆形，上面有些毛刺，这种铸件“缺肉”也被称为浇不足，出现这种情况，该铸造件基本上就报废了，没有任何弥补的措施，给企业带来严重的损失，为减少皮带轮铸造件报废率，我们来学习影响铸件质量非常重要的指标，合金的铸造性能。第一节认识合金的铸造性能

合金的铸造性能是指某种合金在一定的铸造工艺条件下获得优质铸件的能力，即在铸造生产中表现出来的工艺性能，主要有流动性和收缩性等。

一、合金的流动性1.流动性的概念

液态合金的流动能力，即充满铸型型腔的能力。一、合金的流动性

在相同的铸型和浇注条件下，液态合金流经螺旋试样长度越长，则可代表被测合金的流动性越好。

常用铸造合金中灰铸铁、硅黄铜流动性最好，铝硅合金次之，铸钢最差。2.

流动性对铸件质量的影响

金属液的流动性好，充型能力就强，容易获得尺寸准确、外形完整和轮廓清晰的铸件；反之，则容易产生冷隔或浇不足、夹渣、气孔、缩孔、缩松等缺陷。3.影响流动性的因素（1）化学成分

是影响流动性的主要因素之一，不同种类的合金具有不同的流动性。即使是同一种类的合金，由于成分不同，流动性也不相同。例如，在铁碳合金中，共晶成分的铁碳合金流动性最好，合金结晶温度范围越宽，流动阻力越大，流动性越差。一、合金的流动性

3.影响流动性的因素（2）浇注条件1）浇注温度

在保证足够的流动性条件下，浇注温度尽可能低些。灰铸铁的浇注温度一般为1250～1350℃，工程用铸造碳钢的浇注温度为1500～1550℃。

2）浇注压力液态金属在流动方向上受到的压力越大，其流动性越好。一、合金的流动性

3.影响流动性的因素（3）铸型条件铸型中凡能增加金属液流动阻力和提高冷却速度的因素均使流动性降低。如内浇道横截面小、型腔表面粗糙、型砂透气性差均增加金属液的流动阻力，降低流速，从而降低金属液的流动性。铸型材料导热快、金属液的冷却速度增大，也会使金属液的流动性下降。一、合金的流动性

1.收缩的概念铸件在由液态向固态的冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩，收缩过程经历三个阶段，如图6-6所示。二、合金的收缩

合金收缩三个阶段示意图状态图（部分）（1）液态收缩液态合金从浇注温度T浇冷却至开始凝固的液相线温度TL时的收缩，称为液态收缩，表现为型腔内液面的降低。二、合金的收缩

合金收缩三个阶段示意图状态图（部分）（2）凝固收缩

从液态温度TL冷却到固态温度TS时的收缩，称为凝固收缩。二、合金的收缩

合金收缩三个阶段示意图状态图（部分）（3）固态收缩

从固相线温度TS冷到室温时的收缩称为固态收缩。二、合金的收缩

合金收缩三个阶段示意图状态图（部分）

液态收缩和凝固收缩也称体收缩，体收缩是铸件产生缩孔、缩松的主要原因；

固态收缩也称线收缩，是铸件产生尺寸减小、变形和裂纹的基本原因。

在常用的合金中，铸钢的收缩最大，灰铸铁的最小。二、合金的收缩

2.收缩对铸件质量的影响（1）缩孔和缩松的形成——缩孔二、合金的收缩

在铸件缓慢凝固区出现的很细小的分散孔洞称为缩松，如图所示。缩松：①合理选择铸造合金②采用顺序凝固的原则

顺序凝固a)定向凝固b)冷铁的应用（2）缩孔和缩松的预防

3.影响收缩的因素（1）化学成分（2）工艺条件合金的浇注温度越高，过热度越大，合金的液态收缩也越大；铸件结构越复杂，铸型及型芯的强度越高，其差别越大。合金的收缩导致铸件产生缩孔和缩松，铸造内应力、变形和裂纹等缺陷，对铸件质量有着不利影响。二、合金的收缩

第二节砂型铸造方法及应用

实例导读如图所示的汽车气缸体、汽车水泵，是汽车上重要的零部件。其结构复杂，特别是内腔结构复杂，在机械切削加工中工艺复杂，如果能合理的选择毛坯的成形方法，就能简化整个零件的切削加工工艺，降低成本。想一想，如何选择内腔复杂零件的毛坯成形方法呢？

一、砂型铸造的工艺过程第二节砂型铸造方法及应用

一、砂型铸造的工艺过程砂型铸造的工艺过程主要包括：制作模样和芯盒→配制型(芯)砂→造型、造芯→合型→熔炼合金→浇注→落砂清理和检验。一、砂型铸造的工艺过程

1.制作模样和芯盒

制造模样和芯盒常用的材料有木材、金属和塑料。在单件、小批量生产时广泛采用木质模样和芯盒，在大批量生产时多采用金属或塑料模样、芯盒。一、砂型铸造的工艺过程

2.配制型(芯)砂型（芯）砂是由原砂、粘结剂和各种附加物、水等按着一定比例混制成的。对型砂和芯砂的性能要求是应具有足够的强度、较高的耐火性、良好的透气性和较好的退让性。（1）强度

强度是指型砂和芯砂造型后承受外力不被破坏的能力。强度过低，在铸型的合箱、搬运、浇注过程中容易破坏、塌落和胀大，从而产生夹砂、砂眼等铸造缺陷。强度太高又使铸型过硬，使透气性、退让性和落砂性变差。2.配制型(芯)砂（2）耐火性

耐火性是指型砂和芯砂经受高温作用的能力。

耐火性主要取决于石英砂中二氧化硅的含量，二氧化硅的含量越高，耐火度越高。

若耐火度不够，就会在铸件表面形成粘砂缺陷。2.配制型(芯)砂（3）透气性

透气性是指型砂和芯砂孔隙透过气体的能力。

在浇注过程中将产生大量的气体，这些气体必须通过铸型排出，否则将在铸件内产生气孔或使铸型憋气引起浇注不足等铸造缺陷。

透气性太大，会使型、芯砂疏松，容易造成铸件表面粗糙和机械粘砂等铸造缺陷。2.配制型(芯)砂（4）退让性

退让性是指铸件在凝固和冷却过程中产生收缩时，型砂能被压缩、产生退让的性能。

铸型和型芯的退让性不好，会使铸件收缩时受到阻碍，产生机械应力从而引起变形和裂纹等铸造缺陷。2.配制型(芯)砂

造型是用模样和型砂制成与铸件形状和尺寸相适应的铸型的过程，分为手工造型和机器造型两大类。（1）手工造型全部用手工或手动工具完成的造型工序。特点：操作灵活、工艺装备简单、生产准备时间短、适应性强，造型质量一般可满足工艺要求，但生产率低、劳动强度大、铸件质量较差，主要用于单件小批生产。3.造型方法

1）整模造型整模造型是将模样做成与零件形状相似的整体结构的造型方法，其过程如图所示。（1）手工造型

1）整模造型特点:是把模样整体放在一个砂箱内，并以模样一端的最大表面作为铸型的分型面，操作简单，整模造型适用于形状简单的铸件，如盘、盖类等铸件。（1）手工造型

2)分模造型分模造型是将模样分为两半，造型时模样分别在上、下型内进行造型的方法，（1）手工造型

e)f)

3)活块造型当模样上有妨碍起模的侧面伸出部分(如小凸台)时，常将该部分做成活块。（1）手工造型

4)挖砂造型由于条件限制(如模样太薄，制模困难)仍做成整模时，为便于起模，下型分型面需挖成曲面或有高低变化的阶梯形状(称不平分型面)，这种方法叫挖砂造型，如图所示。

（1）手工造型零件图

图6-14挖砂造型过程

5)三箱造型用三个砂箱制造铸型的过程称为三箱造型，如图所示。

（1）手工造型6)刮板造型造型时将刮板绕着固定的中心轴旋转，在砂型中刮制出所需的型腔，如图所示。

（1）手工造型

7）地坑造型直接在铸造车间的砂地上或砂坑内造型的方法称为地坑造型。（1）手工造型（2）机器造型

常用的紧砂方法有：振击紧实、压实紧实、振压紧实等。（2）机器造型

提示：机器造型是不能进行三箱造型的，同时也应避免活块造型，因为取出活块费时，将显著降低造型机的生产率。因此在设计大批量生产的铸件及确定其铸造工艺时，需考虑机器造型的这些工艺要求，并采取措施予以满足。（2）机器造型（1）砂芯的作用1）形成铸件的内腔及孔对于一些形状复杂的内腔，必须用砂芯来形成，这是砂芯一个非常重要的作用。2）形成铸件的外形对于形状较为复杂的铸件，凸台、凸块较多，妨碍起模，以及有复杂曲面形状，外模制作困难，常用砂芯来形成铸件外部形状。4.造芯方法（2）提高砂芯性能工艺方法1）提高砂芯的强度和刚度

造芯时，通常在砂芯中安放芯骨来提高强度和刚度。芯骨材料一般有铁丝、圆钢、钢管和铸铁等。4.造芯方法2）通气为了提高砂芯的透气性，除了选择优质新砂外，还可采取开通气道的措施提高砂芯的透气性。（2）提高砂芯性能工艺方法3）涂料进一步提高型芯的耐火度、密实度、强度等造芯也可分为手工造型和机器造芯。前者主要用于单件小批量生产，后者生产批量大时应用。1）手工造芯①用整体芯盒造芯（3）常用造芯方法②用分开式芯盒造芯圆柱形或结构对称的型芯，一般用分开式芯盒造芯，如图所示。1）手工造芯

③可拆式芯盒造芯形状比较复杂的大、中型型芯，为便于造芯操作，多用可拆式芯盒造芯，1）手工造芯

④用刮板造芯对于旋转体形状的大中型型芯，在单件和小量生产条件下，可用刮板造芯，1）手工造芯

①吹砂造芯②射砂造芯2）机器造芯（1）合金熔炼熔炼是铸造生产的重要环节，其基本任务是提供化学成分和温度都合格的熔融金属。根据合金种类和生产条件的不同，合金熔炼的设备、方法也各不一样。5.合金熔炼与浇注1）铸铁熔炼铸铁是铸造生产中用的最多的合金。铸铁熔炉种类很多，其中冲天炉应用最广，常见的是以焦炭为燃料。冲天炉是一种竖式圆筒形熔炼炉，因炉顶开口向上而得名。（1）合金熔炼2）铸钢熔炼铸钢的熔点高，熔炼工艺较复杂。铸钢熔炼常用的设备有电弧炉与中频感应电炉。图是三相电弧炉的构造（1）合金熔炼（3）有色金属冶炼有色金属铝、铜合金一般多用坩埚炉熔炼。图是电阻坩埚炉的构造。利用电流通过电阻丝产生的热量来熔化合金。电阻坩埚炉（1）合金熔炼1）浇注系统为金属液流入铸型型腔而开设的一系列通道。其作用是：①平稳、迅速地注入金属液；②阻止熔渣、砂粒等进入型腔；③调节铸件各部分温度，补充金属液在冷却和凝固时的体积收缩。（2）浇注典型的浇注系统由外浇口、直浇道、横浇道和内浇道四部分组成，如图所示。浇注系统2）浇注过程浇注是将金属液从浇包注入铸型的操作。浇注铸件时，先用钢棍拨去浇注口内的残渣，包嘴和浇口杯间保持一定的高度。浇注规则：先小，再大，最后要小，目的是减少铁水飞溅，氧化，保证铁水的充型能力。（2）浇注3）铸件的落砂和清理浇注及冷却后的铸件必须经过落砂和清理，才能进行机械加工或使用。落砂是使铸件与型砂、砂箱分离的操作。一般铸铁件的落砂温度在400～500℃之间，形状复杂，易裂的铸铁件应在200℃以下落砂。（2）浇注3）铸件的落砂和清理清理是指落砂后从铸件上切除浇、冒口、清除型芯、内外表面粘砂、铲除铸件表面毛刺与飞边、表面精整等过程的总称。二、砂型铸造工艺设计

铸造工艺方案的具体内容包括：造型方法的选择、浇注位置和分型面的确定；型芯的形状和数量、下芯顺序；工艺参数（机械加工余量、起模斜度、收缩率等）的确定；浇注系统、冒口的形状和尺寸等。铸造工艺方案确定后，用文字和铸造工艺符号将其在零件图上表示出来，绘出铸造工艺图。二、砂型铸造工艺设计

1.浇注位置的选择浇注位置是指铸件在浇注时所处的位置。选择时应以保证铸件质量为前提，同时考虑造型和浇注的方便。选择原则如下：（1）铸件的重要加工表面应朝下或直立床身和锥齿轮的浇注位置a)、b)合理c)不合理（2）铸件上的大平面应尽可能朝下1.浇注位置的选择（3）铸件的薄壁部位应置于下部置于铸型下部的薄壁铸件因浇注压力高，可以防止浇不足、冷隔等缺陷。图为某机器箱盖正确的浇注位置。1.浇注位置的选择分型面是指铸型组元间的结合面，如上、下砂型的结合面。分型面的设置是为了造型时模样能从铸型中顺利取出。2.分型面的选择选择原则如下：（1）应使铸件全部或大部分置于同一砂箱中a)合理b)不合理2.分型面的选择（2）应尽量选用平直的分型面，简化造型工序使分型面平直、少用曲面，以简化制模和造型工艺。2.分型面的选择a)不合理b)合理

起重臂零件图避免弯曲的分型面返回零件模型铸件方案2合葙图分型方案2分型方案1（3）应尽量使型腔及主要型芯位于下型2.分型面的选择a)不合理b)合理（1）铸造收缩率为保证铸件要求的尺寸，必须加大模样的尽寸。通常灰铸铁为0.7～1.0%，铸造碳钢为1.6～2.0%，铝硅合金为0.8～1.2%，锡青铜为1.2～1.4%。3.工艺参数的确定（2）机械加工余量机械加工余量是指在铸件加工表面上留出的、准备切去的金属层厚度。机器造型铸件精度高，余量小；手工造型误差大，余量也大；灰铸铁加工余量小，铸钢加工余量大。3.工艺参数的确定（3）起模斜度起模斜度是指平行于起模方向在模样或芯盒壁上的斜度，如图所示。起模斜度的大小与造型方法、模样材料、垂直壁高度等有关，通常为15～3°。

起模斜度3.工艺参数的确定（4）铸造圆角为了避免铸型损坏，防止铸件产生缩孔及应力集中，在模样转角处做成圆弧过渡，这种圆弧称为铸造圆角。圆角半径一般约为相交两壁平均厚度的1/4。3.工艺参数的确定（5）芯头作用是实现型芯在铸型中的定位，固定及通气。根据型芯的安放位置，芯头分水平芯头和垂直芯头，其结构如图所示。a)b)图芯头a)垂直芯头b)水平芯头3.工艺参数的确定三、铸件的结构工艺性

铸件的结构工艺性是指所设计铸件的形状与尺寸，除了要保证零件的使用性能外，还要有利于保证铸件的质量和有利于铸造生产，提高生产率和降低铸件成本。三、铸件的结构工艺性

1.合金铸造性能对铸件结构的要求基本要求如下：（1）铸件的壁厚应合理铸件尺寸/mm×mm铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金<200×2006～85～66533-5200×200—500×50010～126～1012846-8>500×5001515--5～7-

表6-1砂型铸造条件下铸件的最小壁厚（mm）铸件壁厚也不宜过大，对于过厚的铸件壁，可采用加强肋使之减小，如图所示。a)不合理b)合理

1.合金铸造性能对铸件结构的要求（2）铸件的壁厚应尽量均匀a)不合理b）合理（3）铸件壁的连接应采用圆角和逐步过渡

铸件壁间的连接采用铸造圆角，可以避免直角连接引起的热节和应力集中，减少缩孔和裂纹，

a)不合理b)合理

1.合金铸造性能对铸件结构的要求铸件上的肋或壁的连接应避免交叉和锐角，同时还应采用逐步过渡，以防接头处热量的聚集和应力集中。（4）铸件结构应能减少变形和受阻收缩。某些壁厚均匀的细长件和较大的平板件都容易产生变形，采用对称式结构或增设加强肋后，由于提高了结构刚性，可使变形减少，如图所示。a)不合理b)合理

1.合金铸造性能对铸件结构的要求铸件收缩受阻时即会产生收缩应力甚至裂纹。因此，铸件设计时应尽量使其能自由收缩。

1.合金铸造性能对铸件结构的要求第三节常用特种铸造的应用特种铸造定义：是指铸型用砂较少或不用砂、采用特殊工艺装备进行铸造的方法，是砂型铸造以外的其它铸造方法。分类：包括金属型铸造、压力铸造、离心铸造、熔模铸造、低压铸造、陶瓷型铸造和实型铸造等。

优点：具有铸件精度和表面质量高、铸件内在性能好、原材料消耗低、工作环境好等优点。缺点：铸件的结构、形状、尺寸、重量、材料种类往往受到一定限制。特种铸造金属型铸造熔模铸造消失模铸造连续铸造离心铸造低压铸造压力铸造七种常见的特种铸造方法金属型铸造——将液态金属浇入金属铸型中获得铸件的铸造方法。又称永久型铸造。

垂直分型式金属型一、金属型铸造优点——①金属型导热性能好，铸件晶粒细小、组织致密，力学性能高。

②实现了“一型多铸”，节省了造型材料和造型工时，提高了生产效率，改善了劳动条件。

③尺寸精度高，表面光洁，提高了表面质量。缺点——①金属型制造成本高，生产周期较长，不适于单件小批量生产。②金属型不透气、没有退让性，铸件容易产生浇不足、冷隔、气孔、裂纹等缺陷。应用——

主要用于有色金属的大批量生产，如汽车发动机的缸盖、排气管、活塞、轮毂等。一、金属型铸造Motorsports发动机气缸盖铝合金轮毂一、金属型铸造压力铸造——

将液态金属在高压下快速压入铸型，并在压力下凝固的铸造方法，简称“压铸”工艺过程——

首先使动型与定型合紧，用上边活塞将压室中的熔融金属压射到型腔，凝固后打开铸型并顶出铸件,用下边的活塞将余料推出压室，完成压铸全过程。二、压力铸造优点——①金属液在高压、高速下充填金属型腔，提高了合金的充型能力，因此可压铸出形状复杂的薄壁件。如零件上的各种孔眼、螺纹、齿形、花纹、图案等；锌合金的最小壁厚可达0.3㎜，铝合金可达0.5㎜。

②压力铸造的铸件晶粒细小，组织致密，强度较高。③压力铸造件的尺寸精度及表面质量高，实现了少无切屑加工，降低了零件的生产成本。缺点——

①成本高。②铸件中易产生气孔和缩孔等缺陷。应用——

主要用于低熔点的有色金属的小型、薄壁、复杂铸件的大批量生产。如汽车发动机的汽缸体、汽缸盖、变速箱体、轮毂齿轮、叶轮等。二、压力铸造